两种不同粒径石英砂中非达西流动的实验研究

在水力梯度较大的多孔介质中,水流往往呈现非达西现象.为分析不同粒径介质中非达西流发生的条件,本文对粒径为0.5~0.63mm和0.63~1.25mm两种石英砂,分别开展了一维均质土柱渗流实验,并应用水力阻抗和临界雷诺数判别渗流过程的非达西现象.研究结果表明,随着渗透流速增大,水力梯度和渗透流速之间的线性关系将发生偏移,且Forchheimer方程和Izbash方程均能够很好地描述非达西渗流阶段的水流运动过程.此时,水力梯度中以黏性力和惯性力消耗能量为主导的渗透流速线性项和非线性项均逐渐增大,同时非线性项占水力梯度的相对比重随流速的增大而不断增大.两种石英砂出现非达西流时,其非线性项占水力梯度的40%~50%,相应的临界雷诺数分别为22~27和52~104.非达西流出现的临界雷诺数随介质粒径的增大而增大.     

承压含水层中非达西径向稳定流动抽水模拟实验

为分析抽水井附近水流的非达西流动，本文采用装填均质河砂的扇形密闭水槽模拟承压含水层，开展了外边界水头恒定条件下的定流量抽水实验。通过安装在扇形水槽侧壁的压力传感器测量压力水头，得到了水流稳定流动时的水头降深曲线。通过比较实测水头降深与达西流动理论水头降深，以及比较相邻两压力传感器之间的平均水力梯度与相同流速下的达西水力梯度，进行了非达西流动的判别，比较结果发现本实验条件下存在明显的非达西流动现象。同时，应用基于Izbash方程的非达西稳定流动水头降深解析解，对不同流量下的实验数据进行了拟合分析，研究发现抽水流量对非达西稳定流动的Izbash方程系数值影响较小。通过不同平均方法获得了描述本实验中非达西流动的Izbash方程系数的适宜取值为k=7.17×10-7，n=1.65，此时不同抽水流量下拟合水头降深曲线与实测水头降深曲线吻合良好。这说明基于Izbash方程的非达西稳定流动水头降深解析解可较好地描述抽水井附近的非达西径向稳定流动。     

模糊线性规划在灌区规划与管理中的应用

本文针对灌区规划与管理的线性规划中存在的若干模糊化问题,提出应用模糊线性规划来解决此类问题,并给出了两个实例进行分析。结果表明,模糊线性规划是解决此类问题的有效方法,其模糊优越解对灌区的规划与管理具有一定的指导意义。     

考虑弥散尺度效应与不动水体的反应性溶质运移动力学模型及半解析解

将弥散度概化为运移距离的渐进函数,并考虑土壤孔隙中存在的不动水体以及溶质的吸附和降解,建立了考虑弥散尺度效应的溶质运移两区模型(TRMS,Two-Region Model with Scale-dependent Dispersion),通过Laplace变换和de Hoog数值反演方法求得了模型的半解析解,并运用混合拉普拉斯变换有限差分法验证了半解析解的准确性。通过TRMS与弥散度为常数的两区模型(TRMC,Two-Region Model with Constant Dispersion)之间的比较,分析了弥散尺度效应对溶质运移过程的影响,并利用算术平均方法计算了TRMS的等效弥散度,最后应用TRMS和TRMC模拟了长度为1250cm的一维非均质土柱中的溶质运移过程。结果表明:TRMS的等效弥散度反映了弥散尺度效应的影响,可以近似作为区域弥散度的平均值,采用等效弥散度时,TRMC描述的穿透曲线与TRMS的模拟结果基本一致;TRMC的模拟结果与非均质长土柱的浓度实测值存在较大偏差,而TRMS的模拟精度有了较大程度的提高,能够更好地模拟非均质长土柱中溶质的不规则运移过程,说明本文建立的TRMS能够较好地模拟非均质介质中溶质在较大尺度上的运移过程。     

不同数学模型模拟非均质土壤溶质大尺度运移的对比分析

利用长度为1250cm的非均质土柱中NaCl运移的试验资料,分别应用对流-弥散方程(CDE)、两区模型(TRM)、对流对数正态传递函数模型(CLT)、分数微分对流-弥散方程(FADE)和连续时间随机游走理论(CTRW)等数学模型对长土柱中溶质的运移过程进行模拟,对比各个模型的模拟结果,并从模型机理上分析模拟结果差异的原因,探讨各种模型描述非均质土壤中溶质大尺度运移的适用性。结果表明:CDE、CLT和FADE难以描述非均质土柱中的不规则穿透曲线,但FADE对穿透曲线尾部的模拟精度比CDE和CLT有所提高;与CDE、CLT和FADE相比,两者的模拟结果与实测值吻合更好,在穿透曲线尾部CTRW的模拟值略大于TRM的模拟结果;两者不仅较好地描述了穿透曲线的提前穿透和拖尾等不规则特征,而且捕捉到了非均质土柱中溶质不规则运移程度随着尺度增加而减弱的变化趋势。尽管TRM和CTRW均能很好地模拟长土柱试验所研究的饱和非均质土壤中保守性溶质的一维运移问题,但对于复杂的溶质运移问题的模拟,TRM和CTRW各有其优缺点。     

采用基因表达式编程的沟灌入渗模型参数估计方法

入渗参数的准确估计是沟灌系统设计优化的关键问题。本文基于基因表达式编程(GEP)算法,通过数值试验获得了沟灌入渗模型参数γ估计GEP算法所需的有效数据集合,进行了参数γ的敏感性分析,确定了模型参数γ估计GEP算法的输入因子及其最优组合,建立了γ与最优组合因子的定量关系,进而提出了γ的估计方法。研究结果表明,γ对积水深度、初始有效含水率和沟深度最敏感;土壤水力特性参数对γ影响较大,模型参数γ估计GEP算法的最优输入因子组合为积水深度、沟深、初始有效含水率、饱和导水率和进气值参数;变积水深度条件下γ的估计值与定积水深度的γ值相近;在变积水深度条件下,与利用HYDRUS-2D模型计算得到的"精确"入渗量相比,应用基于γ估计值的沟灌入渗模型计算的累积入渗量误差小于5%,满足计算精度要求。入渗过程中边界效应对总入渗量的贡献逐渐增大,与细质土壤相比,粗质土壤中边界效应对总入渗量的贡献更大,本研究条件下黏壤土中边界效应最终贡献约为25%,砂土中约为37%。研究表明GEP算法可作为沟灌入渗模型参数γ估计的一种有效方法。     

承压含水层中非达西径向稳定流动抽水模拟试验

为分析抽水井附近水流的非达西流动,采用装填均质河砂的扇形密闭水槽模拟承压含水层,开展了外边界水头恒定条件下的定流量抽水试验,获得到了水流稳定流动时的水头降深曲线。通过比较试测水头降深与达西流动理论水头降深,以及比较相邻两压力传感器之间的平均水力梯度与相同流速下的达西水力梯度,进行了非达西流动的判别,比较结果发现本试验条件下存在明显的非达西流动现象。同时,应用基于Izbash方程的非达西稳定流动水头降深解析解,对不同流量下的试验数据进行了拟合分析,发现抽水流量对非达西稳定流动的Izbash方程系数值影响较小。通过不同平均方法获得了描述本试验中非达西流动的Izbash方程系数的适宜取值为k=7.17×10-7,n=1.65,此时不同抽水流量下拟合水头降深曲线与试测水头降深曲线吻合良好,表明基于Izbash方程的非达西稳定流动水头降深解析解可较好地描述抽水井附近的非达西径向稳定流动。     

基于遗传算法的田间尺度土壤水力参数与溶质运移参数优化

合理确定田间尺度土壤水力参数和溶质运移参数是保证农田土壤水盐动态模拟正确性的重要前提。本文开展了基于遗传算法(Genetic Algorithms,GA)与农田水文模型SWAP(Soil-Water-Atmosphere-Plant)耦合进行土壤水力参数和溶质运移参数优化的方法研究。在已有GA基础上引入了子体优生策略,并以完全嵌入方式耦合GA与SWAP模型。采用河套灌区曙光实验站的土壤剖面分层含水率(θi)和溶液浓度(cmli)、表土含水率(θsur)、实际腾发量(ETa)等观测资料,开展了田间尺度土壤水力参数和溶质运移参数优化的数值试验与相应分析。结果表明:(1)采用土壤分层信息(θi和cmli)作为观测数据,GA参数优化效果很好;(2)仅采用ETa作观测数据时,参数优化效果相对欠佳,需慎重使用,而结合ETa与θsur后可提高优化精度;(3)引入子体优生策略可提高GA的参数优化效率和精度。综上,结合GA与SWAP模型是优化田间尺度土壤水力参数和溶质运移参数的一种实用方法。     

北京地区冬小麦-夏玉米轮作下土壤氮素的分布及对地下水影响分析

研究北京粮食作物种植区冬小麦—夏玉米轮作体系下不同施氮量对土壤氮素剖面分布、累积量、淋失量的动态变化过程的影响及对地下水的影响等。结果表明在喷灌条件下冬小麦试验季节硝态氮的累积主要在80 cm深度以上;而夏玉米季节,硝态氮的峰值运移到150 cm左右,硝态氮存在明显的深层淋失现象。硝态氮的剖面含量一般随着施氮量的增加而增加。单季施氮量低于110 kg/hm2,土壤氮素处于稍微亏损状态;而施氮量大于220 kg/hm2时,在0～200 cm土层内,硝态氮有明显的累积现象,硝态氮的累积量一般随着施氮量的增加而增加,因此建议该地区年施氮量为250kg/hm2以维持农田氮平衡。考虑到当地的地下水埋深一般在12.5m左右,可以初步得出冬小麦—夏玉米种植对地下水的影响较小,但是长期冬小麦—夏玉米种植施肥将对地下水产生影响。